• Baterías de ion de litio.

    Garantice un rendimiento óptimo de la batería con materiales de batería bien caracterizados y de alta calidad.

  • La investigación, el desarrollo y la utilización de baterías de iones de litio es uno de los segmentos industriales de mayor crecimiento en el mundo. Numerosos productos, como los marcapasos, los drones, los coches y ahora incluso los aviones, dependen de las baterías para obtener energía. Garantizar que las baterías sean seguras, potentes y confiables es más importante que nunca.

    Sin embargo, la seguridad, el rendimiento y la vida útil de una batería sólo serán tan buenos como los materiales con los que se fabrica. En concreto, los electrodos, el separador y el electrolito deben estar totalmente caracterizados y controlados desde que entran en la planta de producción hasta que se incorporan al producto final.

    Los parámetros a medir incluyen: área superficial del electrodo, estructura cristalina, tamaño de partícula del cristal, tamaño de poro, flujo de la suspensión del electrodo y propiedades de curado, tamaño de poro del separador y propiedades de la estructura, viscosidad del electrolito, densidad y punto de inflamación.

  • El libro electrónico imprescindible de Anton Paar: «Guía de campo para la caracterización de materiales de baterías»

    Los grandes materiales de las baterías alimentan las baterías de mayor rendimiento. Este libro electrónico, que contiene datos de mediciones reales, le explica cómo caracterizar los materiales esenciales de las baterías de iones de litio en electrodos, lodos, separadores y electrolitos, para que sus baterías superen a la competencia.

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  • Material del electrodo sólido

    Los electrodos (cátodos y ánodos) de las baterías de iones de litio desempeñan un papel fundamental en la transferencia de iones y, por tanto, son cruciales para una transferencia de energía eficiente. Estos electrodos están formados por materiales particulados compactados. Tanto la composición química como las características físicas de estos materiales influirán decisivamente en el rendimiento, el ciclo de vida y la seguridad de la batería, lo que a su vez guiará la optimización del diseño de la batería para su uso previsto.

    Las propiedades físicas del material del electrodo, como el área superficial, el tamaño de las partículas, el tamaño y la forma de los cristalinos y el tamaño de los poros, tienen un efecto directo en el intercambio de carga dentro de una sola celda. Otros atributos físicos, como la estructura cristalina, las densidades sólidas y esqueléticas y el potencial zeta de las partículas del material del electrodo, juegan un papel clave en la conductividad interna de la batería. Y la durabilidad de la batería estará correlacionada no sólo con la calidad del revestimiento del electrodo, sino con su adhesión al propio electrodo. Esto puede evaluarse con precisión mediante pruebas de rascado cuantificables.

    Otro paso clave en el desarrollo de los materiales de los electrodos es el análisis de la contaminación por metales pesados. La digestión ácida es el paso inicial de preparación de la muestra para el análisis de metales pesados.

    Con métodos como la DRX o la SAXS, también es posible caracterizar las propiedades de los materiales de los electrodos in operando en conjuntos completos de baterías para controlar los cambios durante el proceso de carga y descarga.

    Lodos de electrodos

    El diseño y el desarrollo adecuados de los procesos de mezcla y recubrimiento de los lodos del ánodo y del cátodo es una parte esencial del rendimiento de las baterías. El conocimiento de parámetros como la densidad, la viscosidad, la viscoelasticidad y el comportamiento tixotrópico del lodo proporciona información para determinar y controlar la composición y la consistencia. Así, durante el mezclado, se puede evitar la agitación innecesaria determinando el tiempo, la velocidad y la temperatura necesarios para alcanzar la homogeneidad. A la hora de elegir una bomba adecuada o de ajustar la formulación para mejorar la capacidad de bombeo, hay que investigar las viscosidades dependientes de la velocidad de cizallamiento y el punto de fluencia. La buena nivelación de la superficie durante el proceso de recubrimiento puede controlarse midiendo la recuperación estructural.

    La lechada que se almacena no debe sedimentar y debe mantener su homogeneidad, que se adquiere mediante pruebas de viscoelasticidad y mediciones del potencial zeta. Además, la superficie de las partículas del lodo está directamente relacionada con su formulación y comportamiento, y conocer este parámetro ayuda a reducir los costes de material y a garantizar una calidad constante.

    Separadores y colectores de corriente

    El separador de una batería de iones de litio es una fina membrana porosa que desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de la batería, ya que evita un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo y, al mismo tiempo, permite el flujo de iones entre ellos. Los separadores deben ser mecánicamente robustos, estables en condiciones de batería activa e inertes con respecto a otros materiales de la célula, pero lo suficientemente porosos como para permitir el transporte de iones. 

    El tamaño del poro pasante del separador es un parámetro clave para garantizar un rendimiento óptimo de la batería. Los poros deben ser lo suficientemente pequeños para evitar que se formen dendritas a través del separador y se produzca un cortocircuito, pero lo suficientemente grandes para facilitar el flujo de iones entre el cátodo y el ánodo. Además, hay que detectar y evitar los poros más grandes o los agujeros de las clavijas, ya que pueden provocar cortocircuitos. 

    Otro parámetro clave para los separadores es su resistencia mecánica y sus propiedades estructurales. En concreto, medir la cantidad de pretensión del separador es clave para evitar la rotura o el desgarro durante el montaje, así como el pandeo después del mismo. 

    Electrolitos

    El electrolito de las baterías de iones de litio desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de la batería al permitir la transferencia de carga entre el ánodo y el cátodo. El electrolito también estabiliza las superficies del cátodo y del ánodo y prolonga la vida útil de la batería. La caracterización exhaustiva de las propiedades físicas del electrolito, en concreto la densidad y la viscosidad, es crucial para garantizar la conductividad, la correcta humectación y el llenado. 

    La viscosidad de una solución electrolítica desempeña un papel fundamental en la potencia de la batería, así como en la optimización del proceso de llenado de la misma. La calidad del disolvente del electrolito, así como la disolución y la concentración de la sal, son también factores clave en el rendimiento de las baterías. Las mediciones de la densidad y del índice de refracción de una solución electrolítica son un método de control de calidad rápido y preciso para garantizar la calidad adecuada del disolvente, así como la disolución y la concentración de las sales. 

    Otro aspecto crítico de los electrolitos de iones de litio es su punto de inflamación; medir con precisión este parámetro es clave para garantizar la seguridad térmica de las baterías.


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